Microparticles composed of nanoparticles for pulmonary application of antibiotics in cystic fibrosis

Abstract

The eradication of bacteria in cystic fibrosis lungs is often unsuccessful due to biological barriers such as respiratory mucus and bacterial biofilms. Nanoparticles are suitable carriers to transport drugs through these barriers. As nanoparticles show low lung deposition, they need to be converted into microparticles for an inhalation as dry powder formulation. In this work, different mucus types were evaluated towards pore size and structure. Antibiotic nanoparticles were prepared by loading lipid-core nanocapsules with ciprofloxacin. The nanocarriers showed an improved transport of the drug over the mucus barrier and efficacy against pathogens found in cystic fibrosis lungs. Furthermore, nano-embedded microparticles were prepared as delivery systems for nanoparticles to reach a good lung deposition. Subsequent disintegration of microparticles enables a release of nanoparticles. The influence of a matrix excipient on properties of spray-dried nano-embedded microparticles was investigated. Finally, cylindrical microparticles composed of nanoparticles were prepared by a template-assisted technique and compared with spherical particles. Concluding, this work elucidates unanswered questions concerning the mucus barrier and presents a promising approach to improve treatment of pulmonary infections in cystic fibrosis.

Die Eradikation von Erregern bei Mukoviszidose ist aufgrund von biologischen Barrieren wie Mukus und bakteriellem Biofilm oft erfolglos. Nanopartikel sind geeignete Trägersysteme, um Arzneistoffe über diese Barrieren zu transportieren. Da sie jedoch nur unzureichende Lungendeposition aufweisen, müssen sie in Mikropartikel eingebettet werden, um eine Inhalation als Trockenpulver zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Mukusarten in Hinblick auf Porengröße und Struktur charakterisiert. Antibiotische Nanopartikel wurden durch Einkapselung von Ciprofloxacin in Nanokapseln mit Lipidkern hergestellt. Die Nanopartikel verbesserten den Transport des Arzneistoffs durch den Mukus und zeigten Wirksamkeit gegen Erreger, die Lungeninfektionen bei Mukoviszidose-Patienten hervorrufen. Des Weiteren wurden Nanopartikel in Mikropartikel als Trägersystem eingebettet, um eine gute Lungendeposition zu erreichen. Durch den anschließenden Zerfall der Mikropartikel wird die Freisetzung der Nanopartikel ermöglicht. Der Einfluss eines Matrixbildners auf die Eigenschaften der sprühgetrockneten Nano-in-Mikropartikel wurde untersucht. Zudem wurden zylindrische Mikropartikel bestehend aus Nanopartikeln mittels Templatmethode hergestellt und mit sphärischen Partikeln verglichen. In dieser Arbeit wurden unbeantwortete Fragen bezüglich Mukus als Barriere geklärt und ein vielversprechender Ansatz für die Behandlung bakterieller Infektionen bei Mukoviszidose-Patienten vorgestellt.